化工基礎習題解答《傳熱過程及換熱器》(張近主編)

1、傳熱過程及換熱器1燃燒爐的平壁是一層耐火磚和一層普通磚砌成，內層耐火磚厚度為230m m,外層普通磚厚度為240m m，當達到定態(tài)傳熱時，測得爐內壁溫度是700 C,外表面溫度是100C，為了減少熱量損失，在普通磚外面加砌一層厚度為40mm的保溫材料，當定態(tài)后測得內壁面溫度為720 C,保溫材料外表面溫度為70 C。求加保溫材料前后每平方壁面熱損失是多少？耐火磚、普通磚、保溫材料的熱導率分別為1.163Wm-1C -1, 0.5815Wm-1 C -1, 0.07W - m-1 C -1解：根據多層平壁熱傳導公式:加保溫材料前：習i =t 1-tn+1 =700-100=600 C= 0.61

2、050.230.24+1.163 0.5815= 982.8W/m20.6105加保溫材料后：習i=t 1-tn+1 =720-70=650 C= 1.1820.230.240.04+ +1.163 0.5815 0.007Q = 650A = 1.1822=545W/m2.如習題1加保溫材料后測得內壁面溫度為720 C，保溫材料外表面溫度為70 C。計算耐火磚與普通磚、普通磚與保溫材料間的交界面溫度。解：加保溫材料后，傳熱速率為:Q = 650A 1.182= 545W/m2根據平壁熱傳導公式:Q = t1 - t2A= 5= 5451 1t1=720;入 1=1.163W m C , 5=

3、0.24m 代入上式解得:i 送= 720- 545 強= 611.2 C同理得7 +迸=70 + 545鴛二沁C3.平壁爐的爐壁內層為 120mm厚的耐火材料和外壁厚度為230mm建筑材料砌成，兩種材料的導熱系數(shù)為未知，測得爐內壁面溫度為800C，外側壁面溫度 113C，后來在普通建筑材料外面又包一層厚度為50mm的石棉以減少熱損失，包扎后測得爐內壁面溫度為 800C,耐火材料與建筑材料交界面溫度為686C，建筑材料與石棉交界面溫度為405C，石棉外側溫度為77 C，問包扎石棉后熱損失比原來減少的百分數(shù)？解：包石棉材料前得傳熱速率 Q1 = 三=800 1131-0.12 0.23吝+入 入

4、?20.12 0.23+ 入 “藝 h 800- 405 包石棉材料后得傳熱速率 Q2 =2-入包扎石棉后熱損失比原來減少的百分數(shù)=1- Q2 =1- 800- 405 = 0.425=42.45%Q1800- 1134. $50mmx 5mm的不銹鋼管（入 1=16 W 若管內壁溫度為600C，石棉外壁面溫度變，欲使熱損失減少 60%，在石棉層外再包一層保溫材料 料的厚度為多少？-1 m1-K ）外包扎厚度為 30mm的石棉（0.22 W 100 C,求每米管線的熱損失。（0.07 W-1 -1 m K）若要使溫差保持不1 1m K），求該保溫材解：、Q _ 2冗2-如1）L2n600- 1

5、00)=872.52W/m心1ln50+ 1 ln110A15 40 0.22505用 柳8 mmx 3mm的鋼管（Q45 W 雲K）輸送0.304MPa的飽和水蒸汽，外界空氣為 20C, 求不保溫與包上 30mm厚的石棉時每米管長的熱損失速率（空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可取為，水 蒸汽傳熱的熱阻忽略。解：查得0.304MPa的飽和水蒸汽的溫度為 133.74C 143.7442 冗(133.74 - 20)=194W/m1 , 481, 108ln + ln45420.2248-1 -16.梅0 mmx 3mm的鋼管（Q45 W m K）外包扎二層絕熱材料，內、外層厚度分別為 25mm 和40mm，

6、熱導率分別為 0.08 W m-1 -K及0.04 W ni1 ”。若管內壁面溫度為 277C，絕熱 材料外表面溫度為57 C，求每米管長的熱損失速率。解:2冗(277- 57)1501, 1001,In + In + In45440.08500.04= 59.14W/m18010050mm厚的絕熱材料 A（入 =0.067.某蒸汽管外徑為100mm，外面包有兩層絕熱材料，內層為1 1 1 1W-m- K），外層為25mm絕熱材料 B（ Q0.075 Wm K）,若A層內表面溫度為 175C , B 外表面溫度為38 C ,計算每米管長的熱損失及 A , B交界面的溫度。解: Q WJgV 入

7、 斤 0.061000.0752002 冗(175 - x)=59.22W/m1 , 200ln0.06 1001 , 200Inx = 175- 59.22 X006= 66.06C2n8. 煉油廠在一列管換熱器中用熱油加熱冷油。管子規(guī)格為忙38 X 3mm管程冷油的流速為1.1m -1s從25 C加熱到125C，在定性溫度下冷油的物性參數(shù)為，密度850kg -n-3，比熱2.5kJ -kg K，粘度2X 103pa,s熱導率0.12 W 為 K。求冷油的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。2解:a=0.02詠節(jié)8（歲=0.023攏X0850）08 X*）=838.7 W -2mK9. 在一列管換熱器中，用水蒸氣

8、加熱原油。管子規(guī)格護25 X 2.5mm管程原油的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1000 W-m-2 -K，管內污垢層的熱阻系數(shù)Rh,1=1.5 X 1濟2 K_W；管外水蒸氣加熱原油，管外水蒸氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為10000 W-m-2 .-K,管外污垢熱阻及管壁的熱阻忽略不計，求傳熱系數(shù)及各部分熱阻占總熱阻的百分數(shù)。- + 1.5X10-3 +100010000X252 1寸=388Wm ?K解：以內表面為計算基礎K =1廠d|+ Ri 1 +1 1 ! 1 Iaaid?？偀嶙鑂=0.00258內表面熱阻R1=0.001占總熱阻的百分數(shù) 38.88%外表面熱阻Ro=0.00008占總熱阻的百分數(shù) 3.10%K

9、 =丄+二+丄aid1do a1000 X20 + 1.5 0污垢層的熱阻系數(shù) Rh,1=1.5 X布占總熱阻的百分數(shù) 58.2% 以外表面為計算基礎2 1= 310W?m?K 251X-+20 10000總熱阻R=0.00323內表面熱阻R1=0.00125占總熱阻的百分數(shù) 38.70%外表面熱阻Ro=0.0001占總熱阻的百分數(shù) 3.10%污垢層的熱阻系數(shù) Rh,1=1.875 X 1%占總熱阻的百分數(shù) 58.04%10. 兩湍流流動的流體在套管換熱器中換熱，第一流體對管壁的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)a=233 W !?，管壁對第二流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)002=407 W !?迢。若忽略管壁和垢層的熱阻，求

10、下列情況傳熱系數(shù)各增加多少？(1) .假定第一流體流速增加一倍，其余不變。(2) .假定第二流體流速增加一倍，其余不變。 解: / a u0.8第一流體流速增加一倍，其余不變。a=233 w nm,則 a=20.8a1=406 W !?第二流體流速增加一倍，其余不變。a=407 W in0 8 -2 -1a=2 a=709 W m K111+ -aaa= 233 X407 =148w?m-2?K-1a2 + a a2 + a 233 + 407ai a姿= 406 X407 = 203w?m-2?K-1a2 + a 406 + 407K148、k1 =1K . 175K148K= 1.1820

11、3 = 1.37叫=233X709 =175W?m-2?K-1a? + a 233+ 70911.在管長為1m的單程套管換熱器中，用水冷卻熱油，兩種流體并流換熱，油的初溫為150C, 終溫為100 C;水的初溫為15C，終溫為40C。欲用加長換熱器管子的辦法，使油的出口 溫度降至80 C ,求此時的管長。假設在兩種情況下，油和水的質量流量、進口溫度、物性 參數(shù)和傳熱系數(shù)均不變化，熱損失可忽略；換熱器除管長外，其余尺寸也不變化。解：油放熱 Q放=(ms Cp) (TT2)水吸熱Q吸=(ms C|水)-狛)熱損失不計則 Q m=Q吸，得：(ms ?CP)油=t2 - t1 (ms?Cp) 水 =T

12、根據傳熱方程Q=KA tm;未加長管子時(ms?CP)油5料孟=0.5At1-in芻At2生一 (150- 15)-(100- 40) =925 cln100- 40加長管子后油和水的質量流量、進口溫度、物性參數(shù)和傳熱系數(shù)均不變化。則有衣“誌；僉1=(出(msCp(h - T2)二嚴。|(- T?” (TtdL Atm )1 =( TtdL Atm )2得:億2)2 = (-%、-)2+,(40-15)X150- 80)+15=50 C(入-T2)!150-100A1- 2 = (150- 15)- (80- 50) C i A1=.inA2ln150-1580- 50L2如?L1(T1-T2

13、)2 = 92.5X(150- 80) = 1 86mAtm2 (T1 - T2)1 = 69.8 x(150- 100) = .12.列管換熱器的管束由若干根長3m,規(guī)格為 忙25 x 2.5mm的鋼管組成，要求將質量流量為1.25kg/s-1的苯由80C冷卻到30C, 20C的水在管內與苯逆流流動。已知水側和苯側的表面 傳熱系數(shù)分別為 850 Wm-2 和1700 Wm-2 ”。污垢熱阻可忽略，若維持水的出口溫度不 超過50C，求所需列管數(shù)，苯的比熱1900J kg. K,密度880kg ni3，管壁導熱系數(shù)入 =451 1W-m1 Ko解：根據傳熱計算方程傳熱速率傳熱系數(shù)Q=KA tmQ

14、,按苯的熱負荷計算 Q=m Cp =1.25 X 1.9 X 50 =118.75kWK以水側為計算基準1 + 計+ d11 +a1 入 dm aoi do8501=592.9W?m-2?K-10.002 20 20x +4522.5 1700 X25傳熱系數(shù)K以苯側為計算基準K= 11& d。 d。+ i +-a0入 dm a-|i d1 17001 0.002+45-252 = 474.3W?m-2 ?K-1X22.5+850 X20傳熱溫差 tm 逆流傳熱_ & - 肛 _ (80- 50)- (30- 20)in旦AT，in30- 20= 18.2K水側傳熱面積A!118.75 X10

15、3Ki nidili A592.9X3.14X0.02 X3X8.2=46.7根=48 根苯側傳熱面積A0A=n n- cd ln= Q =118.75X10= 58.4根=59根Ki nidili 謖 474.3X3.14X0.025X3X8.213.在列管換熱器中用蒸氣加熱溶液，列管為他5mm 1.5mm的鋼管。水蒸氣冷凝的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為15000 Wm -2 ，溶液的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取 2000 Wm -2 ，管壁的導熱率 入 =50W-m-1K。若，使用一段時間后，管內壁沉積1mm的垢層，垢層的導熱率入 =1 W-m-1,求此時傳熱量為原來的分率。解：根據傳熱計算方程 Q=KA tm以管內

16、壁為計算基準面則：1丄+ Ji_dL+ dL_ a1 入 dm a。i do= 1二0.0015 2020+乂+ 20005022.5 15000x25= 1724.1W?m-2?K-1使用一段時間后K= 1 + idl+(5idl) 垢 + dla 入dm 入dm1 +.015x 20+.01x 20 +aoido 20004022.5122.5 15000X252 1= 680.7W?n?K 20因為水蒸氣的冷凝溫度和溶液加熱溫度都不變化則A tm=A tmQ=KA tm=1704.5A tmQ=KA tm=677.7 A tmQ = 680.7Q =1724.1= 0.395=39.5%

17、14.在列管換熱器中，用原油與熱重油換熱，原油初始溫度為20C,質量流量為10000kg ;1h,比定壓熱容2.2kJ - kg-1。重油從180 C冷卻到120C，質量流量為14000 kg -h比定壓熱容 1.9kJ -W，設在逆流和并流操作時的傳熱系數(shù)K均為200 Wm-2求并流與逆流的傳熱面積比。解：假設傳熱過程熱損失不計則有Q熱=Q冷Q 熱=(m - Cp)- (TT2)=14000 X 1.9 X (180-120)= 1596000 kJ -hQ 冷=(m - Cp) - 2-t1)=10000 X 2.2 X2(t)=22000t2-440000 得：t2=92.5 C蟲逆流(

18、T1- t2)- (T2- tj = (180- 92.5)- (120- 20)= ln (Gt?)= ln 180- 92.5=.(T2 - t1)120- 20At=(T1-t2)- (T2-t1)= (180- 20)- (120- 92.5) = 75 2K并流=ln(T1-t2)= =(T2 - t1)120- 92.5根據傳熱計算方程 Q=KA tmA = Q ; Q 冷；逆流和并流操作時的傳熱系數(shù)K均為200 W -KK蟲mA逆流H逆流 93.6 A并流蟲并流75.214.要求每小時冷凝500kg乙醇蒸氣，并將凝結液冷卻至30 C,乙醇的凝結溫度為 78.5C,凝結熱為880kJ kg，液體乙醇的平均比定壓熱容為2.8 kJ 4k-1。乙醇蒸氣在該條件下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 3500 W-m-2 -K，乙醇液體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為700 Wm-2K。冷卻水(逆流)的初始溫度為15 C,排出溫度為35 C,水的表面?zhèn)鳠嵯?/p>